Техносфера 25 декабря 2023

Маглевом — по бездорожью!

Проекты консорциума «Российский маглев», соглашение о создании которого было подписано в октябре, выходят на новый уровень. В его состав уже вошли 12 организаций — разработчиков, производителей и эксплуатантов. В планах — создание нового, шестого вида российского транспорта: наземного подвижного состава, использующего эффект магнитной левитации
Маглевом — по бездорожью!
Руководитель проекта МАГЛЕВ в АО «НИИЭФА» Алексей Фирсов демонстрирует работу макета электромагнитного подвеса для магнитолевитационного транспорта
АО «НИИЭФА»

Материалы рубрики читайте также в телеграм-канале «Техносфера, подъем!»

Для пространств России транспорт — ключевой элемент логистики, обеспечивающей работу производственных систем. Любые проблемы с доставкой грузов — реальная угроза их устойчивому функционированию. Внеплановые остановки или задержки в транспортировке грузов приводят к огромным убыткам и невосполнимым потерям. Риски велики, и ими надо уметь управлять.

«Гениальным решением для сокращения рисков такого класса стало создание грузовых транспортных систем, работающих на принципах магнитной левитации, — сказал в беседе со “Стимулом” доктор технических наук Александр Куликов. — Спасибо специалистам НИИЭФА, которые разработали максимально энергоэффективные подвесы для магнитных транспортных систем».

Отдельный вопрос — интенсификация использования территорий Крайнего Севера, Сибири и Дальнего Востока. Характерные особенности этих зон — вечная мерзлота, заболоченность и карстовые процессы. И очевидно, что для их освоения весьма перспективно использование транспорта маглев, отличающегося пониженными нагрузками на грунт, энергоэффективностью, надежностью, возможностью применения безлюдных технологий и использования отечественных материалов, технологий и оборудования.

magnifier.png Оригинальные отечественные решения обеспечивают поддержание регулируемого воздушного зазора между подвижным составом и путевой структурой, а также поступательное линейное движение транспортной единицы без трения и сопутствующего износа конструктивных элементов

К настоящему времени участники консорциума разработали и обеспечили патентную чистоту основных подсистем технологии маглев. Оригинальные отечественные решения обеспечивают поддержание регулируемого воздушного зазора между подвижным составом и путевой структурой, а также поступательное линейное движение транспортной единицы без трения и сопутствующего износа конструктивных элементов.

Проектная скорость движения подвижного состава транспорта маглев может достигать 600 км/ч. Но дело не только в скорости, но и в минимизации затрат на создание и эксплуатацию транспортной сети и подвижного состава, которые существенно ниже, чем у автомобильной, железнодорожной и авиационной транспортных систем. Отечественные технологии строительства позволяют даже в экстремальных условиях строить пути маглев в кратчайшие сроки. При этом разработчики заявляют рекордные для транспорта сроки эксплуатации и интервалы между регламентным обслуживанием.

«Реализация на практике такого инновационного проекта позволяет исключить множество рисков хозяйственной деятельности промышленных объектов. Во-первых, мы получаем еще большую независимость от западных технологий и можем легко регулировать направления транспортных потоков. Во-вторых, подобные “магнитные” эстакады обеспечивают высокую транспортную связанность всех промышленных объектов при минимуме ресурсных затрат. Несомненно, все это в совокупности служит национальным интересам страны», — считает Александр Куликов.


КОНСОРЦИУМ.jpg
Участники подписания соглашения о создании Консорциума «Российский Маглев»
АО «НИИЭФА»

Самая лучшая команда

Чтобы выяснить технологические подробности и перспективы проекта, мы поговорили с разработчиками магнитолевитационного подвеса — специалистами Научно-исследовательского института электрофизической аппаратуры (НИИЭФА) им. Д. В. Ефремова. Это ведущий научный, проектно-конструкторский и производственный центр России по созданию электрофизических установок и комплексов для решения научных и прикладных задач в области управляемого термоядерного синтеза, ускорительной техники, ядерной медицины, лазерной техники, радиационных и энергетических технологий, прикладной сверхпроводимости и многого другого.

В транспорте маглев традиционно применяются две технологии, использующие электромагнитный и электродинамический подвесы соответственно.

Электродинамический подвес использует взаимодействие магнитов подвижного состава с контурными токами, наводимыми в проводящих панелях или замкнутых катушках пути. Поступательное движение обеспечивается линейным двигателем. Пока единственный пример использования электродинамического подвеса — подвижной состав японского проекта JR-Maglev, который оборудован сверхпроводниковыми магнитами, несущими ток в несколько кА и взаимодействующими с нормальнопроводящими замкнутыми 8-образными катушками, установленными по сторонам пути.

Определенным недостатком электродинамической технологии является необходимость достижения начальной скорости 100‒150 км/ч, при которой появляется магнитная сила, достаточная для организации левитационного зазора.

«Поезд проекта JR-Maglev — высокоскоростной (свыше 600 километров в час), и это его безусловный плюс. Но до момента отрыва он едет на колесах и на колеса же встает при торможении на путевую структуру. Электромагнитный подвес лишен данного недостатка и способен обеспечить постоянную левитацию как в статике, так и в динамке. Левитация возникает, как только включается электропитание подвеса, — рассказал “Стимулу” руководитель проекта “Маглев” в НИИЭФА Алексей Фирсов. — Так что пока в части российских разработок мы говорим только об электромагнитной технологии в варианте, когда электромагнитная сила подтягивает массу подвижного состава к ферромагнитным направляющим пути, а система контроля обеспечивает сохранение заданного воздушного зазора».

Развитием транспорта маглев, использующего электромагнитную технологию, в мире, в том числе в Советском Союзе, активно занимались с начала 1960-х. В 1990-е годы в нашей стране были разработаны и изготовлены несколько опытных подвижных составов, наиболее известный из которых сейчас доживает свои последние дни на полигоне в Раменском. Разработчики создали и успешно сдали комиссии опытную инфраструктуру и трехвагонный подвижной состав. Несмотря на это, в 1996 году было принято решение прекратить работы. Некоторое время ученые и инженеры пытались сопротивляться новым условиям жизни, но в 2008 году проект был закрыт окончательно.

Работы над отечественным транспортом маглев возобновились в 2012 году, когда в Петербургском государственном университете путей сообщения под руководством бывшего главы МПС России Анатолия Зайцева был организован Научно-образовательный центр инновационного развития пассажирских железнодорожных перевозок.

magnifier.png Сейчас ускоренными темпами развивается Северный морской путь. И во многих местах требуется построить порты. Маглев — реальная альтернатива железным дорогам для организации транспортного сообщения. В будущем возможно развитие транспортной сети маглев как дублера Северного морского пути

«Зайцев пришел к нам осенью 2012 года, увлеченный идеей создания отечественного маглева, — вспоминает Алексей Фирсов, — и сказал: “Я был министром путей сообщения, многое сделал для железной дороги, но есть у меня мечта — магнитная левитация. А вас мне порекомендовали как организацию, специалисты которой лучше всех разбираются в магнитных полях и расчетах в обоснование конструкции электромагнитных систем”».

Как отметил советник генерального директора по термоядерным и магнитным технологиям АО «НИИЭФА» Игорь Родин, институт действительно среди ведущих научных организаций страны по вопросам магнитных технологий. «У нас работают одни из лучших разработчиков магнитных устройств, — поясняет ученый, — потому что НИИЭФА — один из российских лидеров проекта по сооружению международного термоядерного реактора ИТЭР — токамака, использующего магнитное удержание плазмы. На протяжении более чем полувека магнитные технологии в институте развиваются и используются для создания крупномасштабных установок класса мегасайенс — ускорителей высокой энергии и термоядерных реакторов. Попутно разрабатывается оборудование для ядерной медицины, магнитогидродинамических устройств, систем электродвижения и других проектов, где используются сильные магнитные поля, включая сверхпроводниковые магнитные системы, работающие при криогенных температурах».

Участники проекта проанализировали мировые достижения в этой области, открытые публикации европейских и американских коллег. За основу решили взять немецкий опыт эксплуатации состава Transrapid, а также китайские аналоги, в частности состав, который ходит от Шанхайского международного аэропорта до Шанхая. Принцип управляемого электромагнитного подвеса реализован с использованием нормальнопроводящих электромагнитов, расположенных под составом и по длине пути. Поступательное движение обеспечивается аналогично японскому проекту — с помощью линейного электродвигателя.

«Наша разработка — это дальнейшее развитие технологии Transrapid, — поясняет Алексей Фирсов. — То есть там подъемная сила и воздушный зазор регулируются в полном диапазоне рабочим током крупногабаритных электромагнитов, что приводит к существенным энергозатратам, связанным с потерями энергии на активном сопротивлении обмоток. В нашей системе большая часть подъемной силы перекладывается на постоянные магниты, а для сохранения зазора используются небольшие электромагниты, регулируемая амплитуда рабочего тока которых на порядок меньше, а значит, и энергозатраты минимальны».

Постоянные магниты — это магнитное поле, которое может «бесплатно» обеспечить постоянную подъемную силу. «Казалось бы, такое решение лежит на поверхности, — говорит ученый, — но при включении постоянного магнита в схему регулирования рабочего тока электромагнита система становится сугубо нелинейной, и стабилизировать зазор достаточно сложно. Задача нетривиальная, но наши математики с ней справились, обеспечив стабильное управление электромагнитным подвесом, содержащим постоянные магниты, которые компенсируют более восьмидесяти процентов веса всей системы, а электромагниты управляют оставшимися двадцатью и обеспечивают стабилизацию в пространстве».

Специалисты НИИЭФА закончили разработку к 2018 году, и на тот момент созданный электромагнитный подвес был самым энергоэффективным в мире, что признали и зарубежные коллеги. Но российские атомщики решили не останавливаться на достигнутом и разработали гибридные электромагниты, где постоянные магниты входят в конструкцию магнитопровода, что позволяет обеспечить максимально эффективное взаимодействие постоянных и электромагнитов.

«Если ток в обмотке электромагнита создает поле, вектор индукции которого противоположен вектору поля постоянных магнитов, то амплитуды полей вычитаются и подъемная сила уменьшается, — поясняет Алексей Фирсов. — Если совпадают — то складываются, увеличивая подъемную силу. Задавая величину воздушного зазора, мы можем обеспечить максимально эффективное использование постоянных магнитов. К примеру, если нужно увеличить подъемную силу, мы задаем минимально возможную величину зазора, и почти сто процентов всей нагрузки приходится на постоянные магниты. Нормальнопроводящая обмотка гибридного электромагнита с минимальными энергозатратами стабилизирует заданное положение подвеса. В результате энергоэффективность гибридного электромагнита еще в несколько раз выше, чем у примененного на начальных этапах разработки варианта раздельного использования постоянных и электромагнитов».


РОДИН.jpg
Советник генерального директора по термоядерным и магнитным технологиям АО «НИИЭФА» Игорь Родин
АО «НИИЭФА»

Неоспоримые преимущества

Маглев очень похож на железнодорожный транспорт в том, что касается перевозки грузов и пассажиров, конструкции вагонов и платформ, организации движения. Поэтому большое количество технологий может быть позаимствовано у подвижного состава РЖД. Научно-исследовательских работ потребовали в основном только два узла — магнитолевитационный подвес и двигатели.

Что касается принципов движения, то тут различия между двумя видами транспорта огромные. Во-первых, применение железнодорожных составов сильно ограничено. Например, значительно затруднено строительство в областях вечной мерзлоты, а таких областей в России много. «Мы знаем истории построенных и затонувших железных дорог, — говорит Игорь Родин, — знаем, что новые дороги там сейчас практически не строятся из-за невозможности сделать это за разумные деньги. В результате территории Крайнего Севера активно развиваются, а необходимого транспортного обеспечения там нет. Используются автомобильные и авиаперевозки. На севере аэропортов больше, чем на юге, в каждом поселке, где что-нибудь добывают, есть аэропорт. И при этом общеизвестен факт, что ничего более дорогого, малоэффективного с точки зрения количества рублей за килограмм придумать нельзя».

Автомобильные дороги тоже большая проблема. В морозы водители пользуются зимниками, а летом на вечной мерзлоте можно проводить соревнования — гонки по бездорожью.

«Из-за своих конструктивных особенностей магнитолевитационные пути строятся с использованием эстакад, — поясняет Алексей Фирсов. — Эстакады возводятся на сваях, и наши коллеги из компании “Апатэк”, которая входит в консорциум, предложили изготавливать их из композитных материалов, имеющих практически нулевую теплопроводность. А это значит, что такая свая, установленная в вечной мерзлоте, не разморозит почву, не “утонет” и будет служить требуемое время».

magnifier.png Реализация планов обеспечить доставку грузов и пассажиров из Санкт-Петербурга во Владивосток за 12 часов может реально преобразовать нашу страну. Можно будет конкурировать не только с железной дорогой, но и с самолетами при гораздо больших возможностях в плане количества перевозимых грузов и пассажиров

Сейчас ускоренными темпами развивается Северный морской путь. И во многих местах требуется построить порты. Маглев — реальная альтернатива железным дорогам для организации транспортного сообщения. В будущем возможно развитие транспортной сети маглев как дублера Северного морского пути.

«Другое колоссальное преимущество технологии маглев — более низкая стоимость эксплуатации путей, — говорит Алексей Фирсов. — Магнитолевитационная дорога похожа на железнодорожную по стоимости прокладки. На железной дороге рельсы со шпалами, у маглева “рельсы” в виде стальных полос, замыкающих магнитный поток. Но эксплуатация пути не требует тех затрат, которые необходимы для высокоскоростных железнодорожных магистралей».

По оценкам экспертов и исходя из нормативной документации, эксплуатация в течение тридцати лет участка железной дороги при высокой грузонапряженности обходится в два раза дороже ее строительства. К примеру, по ночам на трассу «Сапсана» между Москвой и Санкт-Петербургом выходят обслуживающие бригады, задача которых — подтвердить соответствие железнодорожного пути требованиям высокоскоростного транспорта. Рельсы находятся в постоянном контакте с колесом, они испытывают колоссальную механическую нагрузку. С учетом того, что полная масса железнодорожного вагона может достигать 90 тонн, нагрузка на площадь контакта колеса и рельса размером в несколько миллиметров может составлять более 11 тонн. В результате возникает потребность в частых капитальных ремонтах пути и необходимость содержания «индустрии» обслуживания, включая отдельную «отрасль» восстановления сточенных колесных пар подвижного состава. Немецкие специалисты подсчитали, что в год из-под колес скоростных поездов только в одной Германии в воздух выбрасывается более двадцати с лишним тонн металлической пыли.

В технологии маглев нет контакта между путевой структурой и элементами подвижного состава. Вся весовая нагрузка равномерно распределяется по плоскости магнитов, расположенных по длине состава. Благодаря этому в разы меньше динамические нагрузки на путь, а учитывая отсутствие механического контакта, путевая структура практически не изнашивается и срок ее службы кратно увеличивается.

В результате при соизмеримой стоимости строительства маглева и железнодорожного путей эксплуатация первого оказывается существенно дешевле. Кроме того, у подвижного состава маглева нет понятия тяговой единицы — дорогие локомотивы не нужны. Каждая транспортная единица обладает возможностью перемещаться самостоятельно. Это дает очень широкие возможности формирования составов.


1987г. Раменское. Магнитоплан ТП-05 на магнитной подушке

Пора начинать испытания

К настоящему времени все научно-исследовательские работы завершены, надо переходить к опытно-конструкторским работам по созданию и испытаниям опытного образца подвижного состава маглев. Первоочередные задачи — разработка и изготовление опытной транспортной единицы, строительство крупномасштабного испытательного полигона, необходимого для подтверждения технических решений, и подготовка нормативных и регламентных документов, требуемых для внедрения маглева в практику жизни. По мнению участников консорциума, трасса полигона может быть небольшой, 10‒20 километров общей длины пути, этого достаточно для демонстрации заявленных преимуществ.

«Мы не просто что-то улучшаем, — считает Игорь Родин, — а помимо существующих видов транспорта создаем принципиально новый, в одном ряду с автомобильным, железнодорожным и авиационным. Это будет отдельно развивающаяся отрасль, созданная на базе новых технологий».

Организации, входящие в консорциум «Российский маглев», каждая из которых обладает одной или несколькими необходимыми технологиями, в совокупности обеспечивают требуемый набор знаний и навыков от науки до строительных технологий, которые позволяют с уверенностью смотреть в будущее этого вида транспорта.

«Если коротко подытожить преимущества маглева, — говорит Игорь Родин, — это транспортное освоение территорий в зонах, где нет наземных путей сообщения, и возможность высокоскоростного перемещения грузов и пассажиров с эксплуатационными расходами меньшими, чем, например, у высокоскоростных железнодорожных магистралей. Реализация планов обеспечить доставку грузов и пассажиров из Санкт-Петербурга во Владивосток за 12 часов может реально преобразовать нашу страну. Можно будет конкурировать не только с железной дорогой, но и с самолетами при гораздо больших возможностях в плане количества перевозимых грузов и пассажиров.

Еще по теме:
06.02.2024
О методологии проектирования производственных систем
06.12.2023
Информационный портал «Техносфера, подъем!» активизирует свою работу в области технических инноваций и методологии проек...
30.11.2023
Компания «Световые технологии» разработала инновационные светильники для иммерсивных пространств. Уже началось их массов...
17.11.2023
Пульсоксиметр, разработанный на предприятии холдинга «Швабе» Госкорпорации Ростех, получил высшую награду XIX Международ...
Наверх